來自佐治亞理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出長度約為2毫米的微型3D打印機(jī)器人，它使用微剛毛技術(shù)和振動(dòng)來移動(dòng)。這使用雙光子聚合光刻技術(shù)(TPP)生產(chǎn)的小型機(jī)器人，可能具有多種應(yīng)用，包括探測(cè)環(huán)境變化和修復(fù)人體內(nèi)的損傷。

這些被稱為“微型剛毛機(jī)器人”的小型機(jī)器人，據(jù)說與世界上最小的螞蟻大小相當(dāng)，被設(shè)計(jì)用來利用壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲波源或小型揚(yáng)聲器的振動(dòng)來移動(dòng)。在機(jī)器人研發(fā)的這個(gè)階段，佐治亞理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地設(shè)計(jì)了3D打印機(jī)器人，使其對(duì)不同的頻率做出不同的反應(yīng)。換句話說，研究人員可以通過調(diào)節(jié)振動(dòng)來控制機(jī)器人。

盡管它們的尺寸很小，但機(jī)器人可以覆蓋大量的地面，一秒鐘就能移動(dòng)到它們自身長度的四倍(約8毫米)。這種運(yùn)動(dòng)通過壓電致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，該壓電致動(dòng)器粘合到微小的3D打印聚合物主體上，該主體產(chǎn)生振動(dòng)。執(zhí)行器必須外部供電，因?yàn)槟壳皼]有足夠小的電池可以安裝到機(jī)器人上。機(jī)器人還可以使用壓電振動(dòng)篩、超聲波源或放置在機(jī)器人表面下面的聲學(xué)揚(yáng)聲器來移動(dòng)。

無論振動(dòng)源是什么，振動(dòng)都會(huì)使機(jī)器人的彈性腿上下移動(dòng)，推動(dòng)微型剛毛機(jī)器人向前移動(dòng)。有趣的是，機(jī)器人可以通過調(diào)整腿的尺寸、直徑、設(shè)計(jì)和幾何學(xué)來以某種方式運(yùn)動(dòng)，而速度可以通過改變振動(dòng)的振幅來調(diào)整。

佐治亞理工學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院助理教授Azadeh Ansari解釋說：“當(dāng)微型剛毛機(jī)器人上下移動(dòng)時(shí)，通過優(yōu)化腿部的設(shè)計(jì)將垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為定向運(yùn)動(dòng)，腿看起來像剛毛。微型機(jī)器人的腿是用特定的角度設(shè)計(jì)的，它們可以彎曲和向一個(gè)方向移動(dòng)，從而對(duì)振動(dòng)做出共振反應(yīng)?！?/p>

如前所述，機(jī)器人的本體和剛毛是采用雙光子聚合光刻(TPP)的方法制造的，該工藝由用紫外光聚合單體樹脂材料組成。該工藝能夠生產(chǎn)非常小的部件，因此適合于機(jī)器人。

目前，研究小組正在研究如何對(duì)3D打印過程進(jìn)行縮放，以便一次打印出數(shù)十萬臺(tái)微型機(jī)器人。Azadeh Ansari說：“我們正在努力使這項(xiàng)技術(shù)強(qiáng)大起來，我們考慮到了許多潛在的應(yīng)用?！薄拔覀冋谶M(jìn)行力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)的交匯工作。這是一個(gè)非常豐富的領(lǐng)域，多學(xué)科概念有很大的發(fā)展空間?！?/p>

在應(yīng)用方面，研究人員相信，這些單獨(dú)可編程的微型機(jī)器人可以用來檢測(cè)環(huán)境變化，甚至可能修復(fù)人體內(nèi)的損傷。此外，由于壓電致動(dòng)器是由鋯鈦酸鉛(PZT)制成的，它們不僅在施加電壓時(shí)會(huì)振動(dòng)，而且還能產(chǎn)生電壓——當(dāng)外部振動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可用于為板載傳感器供電的功能。

除了探索AM過程的可伸縮性外，研究小組還通過將兩個(gè)稍微不同的微型剛毛機(jī)器人連接在一起，為微型機(jī)器人開發(fā)轉(zhuǎn)向能力。“一旦你有了一個(gè)完全可操控的微型機(jī)器人，你就可以想象做很多有趣的事情?！盇zadeh Ansari說。

創(chuàng)新研究項(xiàng)目的論文刊登在《微力學(xué)與微工程》雜志上，由佐治亞理工學(xué)院的電子和納米技術(shù)研究所提供資金支持。